冲压模具行业高速高精加工

现今模具业流行谈论高速铣床对模具加工影响

,

高速加工论说甚多

,

尤其在中国市场

,

模具行业飞速发展

,

对于能加快模具生产之机床

,

需求极高

,

因此高速铣床理论成为热点所在

,

而各大机床生产商争先推出各种号称世界第一高速铣床

,

众说纷纭

,

有些机床生产商说其主轴转速世界最快每分钟达

60,000

转以上

,

又有些机床生产商说其机床刚性好、精度高

,

必定达到高速加工效果

,

更有些说其机床结构与众不同

,

采用人造大理石能减低震动

,

必可迎合高速加工要求

,

除此之外等更多听闻

,

有些不负责任机床供货商

,

向客户推荐其机床适合任何类型模具加工

,

只需更换高速主轴或低速高扭矩主轴便可

,

此等荒诞论说

,

正如有一汽车销售员向阁下推销一部全能汽车

,

只要阁下更换高速发动机

,

此汽车便可变成法拉利跑车

,

更换高扭矩发动机

,

即可成为货车

,

但阁下会相信此等论说

,

而购买此车吗

?

可知跑车与轿车

,

轿车与货车分别之大众所皆知

,

不论外观

,

风阻系数

,

控制系统

,

车体结构

,

车轴距离

,

方向盘

,

避震系统

,

车体与地面距离

,

转档系统

,

加速率

,

刹车系统

,

甚至舒适程度等

,

都有不同规格要求

,

是否单单更换发动机

,

便可适应不同使用需要

,

答案肯定不是

,

实质使用需要

,

在研究开发时

,

设计师早有定案计划

,

按不同要求

,

设计出甚么样的车辆

,

适合何种用途

,

不是单靠发动机解决问题

.

所以高速铣床设计正如设计汽车

,

应用在模具

,

模架或镗孔之机床在设计上绝对不一样

,

机床整体设计非常重要

,

客户需根据本身产品

,

才决定购买那种机床才是明智之举

.

模具业在中国市场已进入去弱留强阶段

,

产品市场生命周期短

,

模具生产周期至为重要

,

如手机模具

,

从过去

90

天生产周期到现在

15

-21

天试模

,

由此可见现在模具生产已不只追求精度及光洁度那么简单

,

必须加上效率。

Roeders

公司以其

200

年模具制造经验

,

在

1989

年德国

Roeders

首先完成世界第一台高速加工中心

,

并提供技术数据予瑞士

Mikron

合作生产高速加工中心

,

直至

1994

年双方因维修服务问题终止合作

,

Roeders

开始生产自己品牌高速机床

,

提供优质支持服务予世界广大客户。

Roeders

机床在中国増长迅速，自

1998

年第一台

Roeders

机床进入中国市场

,

现已有

60

多台

Roeders

机床在为中国模具业服务。

那么到底高速加工概念是甚么

?

如何能达到高速加工效果

?

本文尝试以深入浅出方法加以叙述

.

高速加工概念大概分为下列

7

点：

?

机床

?

软件

?

编程

?

刀具

?

刀把

?

夹具

?

维修、技术支持及人员培训

.

?

高速机床要求大致可分为下列

7

点

高速、高扭矩之主轴

:

主轴速度需达

36,000

rpm

以上

,

驱动电机功率必需在

14kw

以上

,

在高速加工概念中

,

小直径刀具应用尤其重要

,

减少电火花和抛光加工

=

减低生产成本

,

现今刀具发展一日千里

,

刀具直径少至

R

0.15mm

品牌比比皆是

,

尽量使用直径细小刀具作深腔或清角加工

,

减少电火花加工

,

对于提高模具生产效率有着极大帮助

,

从前需要加工电极

,

再拿到电火花机床加工

,

生产周期需

2-3

天加上电火花机床效率奇低快则一天半天

,

要求特高之模具还要多做几个电极

,

往往需要

7

天以上才能完成一套精密模具，深腔、清角加工

,

费时费力

,

故使用高转速主轴

,

小直径刀具在模具加工中非常重要

.

但很多机床供货商往往为求完成指标

,

制造虚假测试报告

,

声称其

16,000

转主轴用

R0.3

刀具

,

走

600mm

进给速度

,

用几分钟完成

HRC

50

甚至

HRC

60

车灯模具精加工

,

很多客户在一知半解情况下或崇尚名牌心理

,

购买此类机床

,

然后发觉货不对板

,

后悔莫及只有当交学费的阿

Q

精神自我安慰

,

因为他们购买机床时连

R0.3

刀具也从未看过或接触过

,

可知

R0.3

刀具刀锋多少

,

只要算一算线速度

,

没有

30,000

转以上主轴完全达不到期望之光洁度及速度

.

盲目相信名牌机床测试报告

,

相信切削深度的理论

,

而忽略了光是机床是不能扭转物理定律的，而误中圈套。

现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。趋势就是：以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴

但是只有高速主轴是不足以应付高速加工要求

,

可知模具不单靠精加工就能完成任务

,

粗加工对模具加工也占着重要位置

,

故在兼顾高速，同时亦需考虑主轴扭矩

,

,

主轴电机需有

14kw

功率，在

5,000

–30,000rpm

时

,

需达到

4.5Nm

~13Nm

扭矩

,

而在

36,0000

-

42,000rpm

时仍可保持

2.5Nm

~4Nm

扭矩

,

使不同直径刀具应用更有弹性

,

模具尽量在高速加工机床一次成形

,

减少因不同机床的应用

,

浪费装夹时间。

轻巧

、

坚固全铸铁龙门架机床结构

：

高速切削机床

,

机架设计都有同一个特征

,

就是龙门架式设计

,

Z

轴挂在

Y

轴上

,

成十字架式设计

,

而

X

轴在机床上以独立方向移动

,

工件只在一个轴向移动

,

各运动轴惯量相等

,

设计紧凑精密

,

确保刚性高

,

能在高动态性下保持高精度加工

,

然而

“

十字架

”

式设计常被人批评刚性不好

,

机床寿命短

,

他们认为

Z

轴必须放在

Y

轴的机床平台上滑动

,

才是刚性最好

,

但这些批评

,

只显示他们对高速切削理解不深

,

因为他们连高速加工基本理论也搞不清楚

,

因高速加工概念有着一个非常重要的理论称之为

*

零

*

切削

,

零切削概念是以高转速配合高进给速度

,

对工件进行切削加工

,

理论上当高转速及高进给速度达到普通加工的十倍以上时

,

所有刀具与工件磨擦而产生之热量都被切削时产生废削带走

,

故加工深度

,

切削量与传统机床切削方法有很多不同此处

,

在此本文先不详述

,

待第三部份

“

编程

”

时详加分析

,

因此高速加工能达到高光洁度效果

,

当然刀具是重要一环

,

没有适当刀具及刀把配合

,

所有理论均不能成立

,

现在回头再说机床部份

,

为甚么说这么多理论？

因为要说明

“

十字架

“

式机床对高速加工之重要性

,

因只有十字架式机床才可在高进给速度时保持高加速率速

,

因在实际模具加工时

,

CNC

切削不可能只是

A

点到

B

点之间的移动

,

编程上我们因模具光洁度及精度要求

,

需由多点串连

,

没有高加速率

,

就没有高速加工

,

因十字架设计

Z

轴重量大约只有

500

–

700kg

,

如果

Z

轴在

Y

轴平台移动

,

Z

轴重量就达到

1500

kg

–

2000kg

,

要多大駆动马达才能达至

0.75g

以上高加速率要求

,

基本上是

Mission

impossible

(

不可能任务

)

,

本人再用简单比喻

,

希望读者能更易理解

,

铣削加工像削苹果

,

高速加工是用水果刀削

,

水果刀轻便灵活，速度快，削出来苹果表面比较光滑

,

传统机床是以菜刀削苹果

,

菜刀笨重，削出来苹果表面比较粗燥

,

所以高速机床对加速率一直追求完美

,

而批评十字架式机床设计

,

或对本文有关

<

零

>

切削概念有所怀疑之士

,

欢迎随时致函与本人查证

,

但查证前先参考此公式

:

E

=

mc2

,

如不知道公式从那来

,

敬请不要致函

.

此外全铸铁机床，不但刚性高，兼有温差同步膨胀的好处，不会因不同物料的温差膨胀系数不同而导致机床精度误差。有些客户买了混合材质机床，如人造大理石

+

铸铁的机床后，发觉机床归零有偏差，就是因为两种材料膨胀系数不一致所致，对于高速加工中心这种高精度的设备来说，这种误差是致命的，因为加工过程中一定会产生热量的，目前来说谁也不能把这些热量完全吸收掉！

c)

.

高性能

CNC

控制系统：

高速加工追求高精度和高光洁度，要达到这个目标，除了机床本身的精度之外，还要求

NC

程序的精度要比普通加工高很多，一般在十倍以上，大家都知道，在计算机辅助制造中，

CAM

软件一般采用点逼进法来加工圆弧，样条曲线等非直线外形，精度要求越高，就要求越多的点来逼近，这样产生的

NC

程序往往多达十几兆至几十兆

.

这就要求机床的控制系统有非常高的数据处理能力，要有在

1

秒钟内处理

5000

～

10000

条数据的能力，这样的数据量工控机是望尘莫及的，所以我们经常会看到有的机床在转弯位和尖角位停顿甚至死机。有的厂商便采用专用的软件来优化数据，和机床捆绑销售，且不论会使用户增加投资。数据经过优化之后，加工的速度是上去了，但精度确降低了，同时，产品上该是尖角的地方也变成了圆角，因为尖角的数据往往最容易被优化掉。工控机的弊病，要有丰富的经验和很专业的技术人员才能熟练的驾驭，而

PC

开发的控制系统直观，条理性好，只要你接触过电脑

,

经过两三天的培训，即可熟练的操作。

此外

PC

计算机有着硬件维护容易

,

升级便宜简易之优点

,

不会有今天买明天落后的情况

,

试问

10

年前计

PC

之

CPU

机速度与今天

PC

速度已相差

20

多倍

,

可笑是现今很多机床工控计算机仍使用

Pentium

133Mhz

,

如何配合现今编程要求

?

有些机床供货商说

PC

计算机没有工控机稳定

,

这些自相矛盾的说话

,

你会相信吗

?

试问贵司所用之编程计算机是否工控机

,

有没有不稳定或编程精度出现问题

?

答案是

:

好像没有或者是很少

,

实际上只要在

PC

计算机加上防尘

、防油处理

,

PC

计算机与工控机基本上没有分别

,

只是

PC

运算速度比工控机快得多

,

而两者最大分别在于使用控制平台不一样而已

,

Roeders

机床控制平台使用

Windows

2000

,

升级简单

、快捷

、便宜

(

基本上免费

)

上网下载便可

,

而工控机使用自身开发平台

,

升级困难

、昂贵

、有时候系统出问题等几年音讯全无

,

对客户影响深远

,

由此可以预见，高速加工中心的控制系统必然要向

PC

发展。

d).

高精度、快速的驱动系统

:

高速切削是高切削速度、高进给率和小切削量的组合，进给速度为传统的

10

倍以上

,

这

首先

要求机床的驱动系统和控制系统之间的数据传输要快

,

因为光是控制系统处理数据的能力强是不够的

,

机床要实现普通机床

10

倍以上的进给速度

,

需要驱动系统处理数据的能力快百倍以上

,

普通机床的数据传输均使用串口、并口、或同轴电缆

,

它们的传输速率远远达不到这个要求

,

所以有些高端机床使用光纤传输

,

这样不但速度快

,

稳定性也大幅度提高。其次，高速加工程序由于数据密集，点到点之间，各轴经常在微距状态下高频率工作，这不仅要求伺服系统反应极其灵敏，更对伺服电机提出了更高的要求，随着电机技术的发展，先进的直线电动机已经问世，并成功应用于

CNC

机床。先进的直线电动机驱动使

CNC

机床不再有质量惯性、超前、滞后和振动等问题，加快了伺服响应速度，更提高了伺服控制精度和机床加工精度。不仅能使机床在

f=

60m

/min

以上进给速度下进行高速加工，而且快速移动速度达

f=

120m

/min

，加速度达

2g

，提高了零件的加工精度。

而滚珠导轨配合更是高速加工中心不可缺少的设计。

e).

高效冷却系统：

高速切削中机床的主轴、丝杠

、滚珠导轨等产生大量的热能，如不进行有效的冷却，将会严重影响机床的精度，也会大大缩短主轴，各轴驱动电机等高精度电器件的寿命。所以

Roeders

机床采用强力高压、高效的冷却系统，使用温控循环水或其它介质来冷却主轴电动机、主轴轴承

、丝杠

、滚珠导轨

、直线电动机

、液压油箱等。其中水冷降热比高

，价格低廉

，维护方便受广大客户青睐。

f).

高安全性

:

高速加工由于高转速和高进给速度，加工中刀具积聚了很高的势能，一旦断裂是必产生强大的冲击力，高速切削机床普遍采用全封闭式安全门罩，高强度透明材料制成的观察窗等更完备的安全保障措施，来保证机床操作者及机床周围现场人员的安全，避免人员意外损伤

,

德国

Roeders

高速加工中心甚至使用防弹玻璃来保护人员的安全。另外

,

为了保护主轴在意外撞击和加工量过大时获得保护

,

有的机床还加了预应力保护装置

,

以防止主轴受力过大时因停转而烧毁。

g).

高精度、高速度的传感检测技术

.

高速加工中心由于应用了很多高新技术

,

尤其是微电子控制技术

,

这给机床的错误的诊断和维护带来了很多困难

,

所以大多数高速加工中心都应用高速度

,

高精度的传感器来检测机床状态、刀具状态、工件状态和机床工况等。通过传感器和控制系统的结合来直观的反映机床的工作状态。

(2).

高速加工中心对软件的要求

.

高速切削的

CAM

系统软件高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求，除了要有高速切削机床和高速切削刀具，具有合适的

CAM

编程软件也是至关重要的。一个优秀的高速加工

CAM

编程系统应具有很高的计算速度，较强的插补功能，优秀的路径平滑连接功能

,

全程自动过切检查及处理能力，自动刀柄与夹具干涉检查、绕避功能，进给率优化处理功能，待加工轨迹监控功能，刀具轨迹编辑优化功能，加工残余分析功能等等。随着

CAM

系统智能化水平的提高，已经出现了新一代独立运行的智能化的

CAM

专业系统，如

EDS

公司的

UGNX,

Hitachi

公司的

SPACE-E

，

DELCAM

公司

PowerMILL

，其主要特点是面向对象的实体加工方式，而非传统的曲面局部加工方式。只需输入并选择加工工艺，即可自动完成编程操作。编程的复杂程度与零件的复杂程度无关，只与加工工艺有关，因而非常易于掌握，只需短时间培训即可掌握使用。在欧美发达国家，为了充分发挥

NC

设备操作人员的优势，缩短加工时间间隔，机侧编程已经成为逐渐流行的发展趋势。

(3).

高速加工中心对编程的要求

.

采用高速加工设备之后，对编程人员的需求量将会增加，因高速加工工艺要求严格，过切保护更加重要，故需多花时间对

NC

指令进行仿真检验。一般而言，高速加工编程时间比普通加工编程时间要长得多，然而却大大缩短了加工时间。为了保证高速加工设备足够的使用率，需配置更多的

CAM

人员。

传统

CAD/CAM

中，

NC

指令的编制是由远离加工现场的

CAD/CAM

工程师来完成的，因编程与加工地点分离，往往因编程人员对现场条件及加工工艺不够清楚而需要对

NC

指令进行反复检验与修改，影响正常使用。

除刀具和加工参数根据具体情况选择外，加工方法的选择和采用的编程策略就成为了关键。一名合格的

CAD/CAM

编程员

,

应该同时也是一名合格的模具设计师，他应对零件的几何结构有一个正确的理解，及对各种刀具使用有深入了解

,

具备理想工序安排以及合理刀具轨迹设计的知识和概念。首先要注意加工方法的安全性和有效性；其次要尽一切可能保证刀具轨迹光滑平稳

,

这会直接影响加工质量和机床主轴等零件的寿命

,

最后要尽量使刀具载荷均匀

(

即等余量加工

)

，这会直接影响刀具的寿命

,

增加生产成本。

(4).

高速加工中心对刀具的要求

.

刀具技术和机床制造，从一开始就相辅相成共同发展，可以毫不夸张的说，只有刀具技术和机床技术的不断发展，才推进了高速切削技术。高速加工必须使用硬质合金刀具

,

很多客户即时反应是成本贵

,

但相对加工效率这些生产成本是九牛一毛

,

试想想直接在硬钢加工省却多少铜料钱

,

电火花时间

,

电费

,

人工费

,

少买几台贵价火花机

,

省下来的钱已够买一台

Roeders

高速机

,

少买铜料

,

少用电

,

省下来的钱已够买硬质合金刀具

,

此外硬质合金刀具在加工时万一发生意外只会使刀具断掉

,

而使用白钢刀

,

刀具不会断撞力直接冲上主轴

,

对主轴轴承做成严重伤害

,

刀具价值与主轴价值比较

,

自然不难理解为何高速机规定使用硬质合金刀具。

此外高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。除使用硬质合金材质外，并且普遍采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛（

TiN

）、氮化铝钛（

TiALN

）等等。涂层技术由单一涂层发展为多层、多种涂层材料的涂层。这一技术已成为提高高速切削能力的关键技术之一。选择切削参数时，针对圆刀片和球头铣刀，应注意有效直径的概念。高速铣削刀具应按动平衡设计制造。刀具的前角比常规刀具的前角要小，后角略大。主副切削刃连接处应修圆或导角，来增大刀尖角，防止刀尖处热磨损。应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体积，提高刀具刚性。刀具材料与被切削材料应具有较小的化学亲和力。高速铣削大多采用硬质合金刀具。在保证安全和满足加工要求的条件下，刀具悬伸尽可能短，刀体中央韧性要好。刀柄要比刀具直径粗壮，连接柄呈倒锥状，以增加其刚性。球头立铣刀要考虑有效切削长度，刃口要尽量短。

(5).

高速加工中心对刀具夹持系统的要求

.

高性能的刀具夹持系统高速铣床的刀具夹持系统要求有很高的动平衡性，当主轴速度达

30000Rpm

或以上时

,

相对刀柄要求之动平衡能力及绝对的定心性由其重要。主轴、刀柄、刀具三者在旋转时应具有极高的同心度，这样才能保证高速、高精度加工。否则转速越高离心力越大，当其达到系统的临界状态

,

将会使刀柄

,

刀具系统发生激振，其结果是加工质量下降，刀具寿命缩短，使主轴轴承磨损，做成主轴损坏。刀柄系统与主轴锥度穴孔应结合紧密，现在刀柄一般都采用锥部与主轴端面同时接触的双定位锥柄。德国的

HSK

规格是高速切削指定刀柄。

HSK

刀柄使刀具和刀柄的配合较理想

,

做法是以热缩式方法将刀柄

,

加热到

450

℃

以上

,

然后将刀具放入刀柄

,

待刀柄泠却后

,

使刀柄把持面与刀具接触达至全面接触

,

同心度达

0.003mm

以下

,

热胀式刀柄完全解决了索咀式刀柄只有五点抓住刀具的缺点

,

减少平衡度及同心度不良之问题

,

很多客户问如何更换刀具

?

上文已提过为何高速机床必定使用硬质合金刀具

,

方法很简单

,

将刀柄连硬质合金刀具再加热至

450

℃

以上

,

因刀柄

(

钢

)

及刀具

(

硬质合金

)

材质不一样

,

膨胀系数亦不一样

,

所以已使刀柄加热至

450

℃

时

,

刀具便应声掉下

,

再更换新刀具上去便可

,

敬告客户千万不能使用白钢刀放在热胀式刀柄上

,

在上文机床篇

,

已提过同步膨胀对机床精度的重要性

,

否则贵司必须准备几千块钱来引证本文的理论

,

又有很多客户问

,

加热刀柄是否需时很长

,

使用

Roeders

専用加热换器加热至

450

℃

以上

,

只需

20

秒

!!!

用那么短时间刀柄及刀具即可达到

3μ

同心度

,

对模具加工何等重要

,

再次引证金钱是用时间换回来的理论

,

不过现在有些液压真空装刀，强力铣卡头装刀

,

除耐温性不强

,

有待改进外

,

奉劝客户不要使用为妙

,

免得操作员有机会用白钢刀来做主轴寿命测试

。

(6).

高速加工中心对夹具的要求

.

高速加工能大大改善加工时间，但加工方法客户很多时没有注意

,

有时候模具在高速加工中心加工时间大约只需

1

小时

,

但模具装夹时间却用上

30

分钟

,

或铣完的模具或电极

,

在火花机调较电极用上

45

分钟

,

而放电时间却只是

45

分钟

,

这种不合理现象

,

往往成为高速加工概念的瓶颈位置

,

解决这个瓶颈问题

,

我们可以使用夹具配合模具加工

,

使用夹具不单解决人为装夹错误的问题

,

并使模具质量及效率提高

,

因为模具累积公差少自然可提高模具精度及光洁度

,

而夹具重复精度高通常在

1

–

2

μ

之间

,

一次装夹在一分钟内完成

,

其中狡狡者如瑞典

3R

夹具

,

因其刚性好精度高

,

比较适合加工中心应用

,

配合其它机床使用

,

必定使模具生产效率翻倍提高

。

(7).

维修、技术支持及人员培训

.

很多机床供货商及客户经常谈论到维修、技术支持及人员培训的重要性

,

但在中国市场在维修应用支持到位的供货商寥寥无几

,

为甚么中国这个模具大国出现这个怪异现象

,

好象是供货商与客户进行永不完之欺骗游戏

,

看谁本领高就是成功

,

为甚么本文有这个论点

,

本人尝试分析个中原因

,

再谈技术支持问题

,

中国客户普遍存在贪便宜的心态

,

经常抱着拿三毛钱吃海鲜心态购买机床

,

有些供货商为适应中国客户这种特殊心态

,